差动变压器式传感器的用途.ppt

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1、第4章电感式传感器 4 1变磁阻式传感器 4 2差动变压器式传感器4 3电涡流式传感器 4 1变磁阻式传感器 4 1 1工作原理 变磁阻式传感器的结构 由线圈 铁芯和衔铁三部分组成 图4 1变磁阻式传感器 铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢片或坡莫合金制成 在铁芯和衔铁之间有气隙 气隙厚度为 传感器的运动部分与衔铁相连 4 1 1工作原理 工作原理 当衔铁移动 气隙厚度 发生改变 引起磁路中磁阻变化 导致电感线圈的电感值变化 测出这种电感量的变化 就能确定衔铁位移量的大小和方向 线圈中电感量可由下式确定 4 1 线圈总磁链 I 通过线圈的电流 W 线圈的匝数 穿过线圈的磁通 由磁路欧姆定律 得 4 2

2、 Rm为磁路总磁阻 对于变隙式传感器 因为气隙很小 所以可以认为气隙中的磁场是均匀的 若忽略磁路磁损 则磁路总磁阻为 4 3 1 铁芯材料的导磁率 2 衔铁材料的导磁率 l1 磁通通过铁芯的长度 l2 磁通通过衔铁的长度 S1 铁芯的截面积 S2 衔铁的截面积 0 空气的导磁率 S0 气隙的截面积 气隙的厚度 通常气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻 即 4 4 4 3 4 5 4 6 当线圈匝数W 常数时 电感L仅仅是磁路中磁阻Rm的函数 改变 或S0均可导致电感变化 因此变磁阻式传感器又可分为变气隙厚度 的传感器变气隙面积S0的传感器 目前使用最广泛的是变气隙厚度式电感传感器 4 1 2自感式传

3、感器类型及特性1 变隙式电感传感器L与 之间是非线性关系 4 7 当衔铁上移 时 气隙减小 即 0 则此时输出电感L L0 L 得 4 8 设初始气隙为 0 初始电感量为L0 衔铁位移引起的气隙变化量为 当衔铁处于初始位置时 4 6 图4 2变隙式电压传感器的L 特性 单边变隙式特性曲线如图4 2所示 当 0 1时 将上式用台劳级数展开成如下的级数形式 4 9 由上式可求得电感增量 L和相对增量 L L0的表达式 即 4 10 4 11 同理 当衔铁随被测体的初始位置向下移动 气隙增大 时 4 12 4 13 对式 4 11 4 13 作线性处理 即忽略高次项后 可得 4 14 灵敏度为 变间

4、隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾 适用于测量微小位移的场合 为了减小非线性误差 实际测量中广泛采用差动变隙式电感传感器 4 15 图4 3差动变隙式电感传感器 图4 3差动变隙式电感传感器 要求几何尺寸及电气参数完全对称当衔铁偏离对称位置时 一边气隙增大 线圈电感量减小 另一边气隙减小 线圈电感量增大 差动式与单边式比较 非线性大大减小 灵敏度也提高了 2 变面积式电感传感器P633 螺线管式电感传感器P63 有功分量 有功电阻R 线圈线绕电阻和涡流损耗电阻及磁滞损耗电阻 无功分量包含 线圈的自感L 绕线间分布电容 为简便起见可视为集中参数 用C来表示 4 1 3测量电路 自感式

5、电感传感器的测量电路 交流电桥式 变压器式交流电桥以及谐振式等 1 自感式电感传感器的等效电路 图4 4电感式传感器的等效电路 图4 4电感式传感器的等效电路 于是可得到自感式电感传感器的等效电路如图4 4所示 线圈的自感 有功分量的总电阻 并联寄生电容 等效线圈阻抗 4 16 将上式有理化并应用品质因数Q L R 可得 4 17 当Q 2LC且 LC 1时 上式可近似为 则 令 当Q 2LC且 LC 1时 上式可近似为 则 令 分析 并联电容C的存在 使有效串联损耗电阻 及有效电感 而有效Q值 在有效阻抗不大的情况下 它会使灵敏度有所提高 从而引起传感器性能的变化 因此在测量中若更换连接电缆

6、线的长度 在激励频率较高时则应对传感器的灵敏度重新进行校准 四个桥臂 Z1和Z2 传感器的两个线圈 纯电阻R 设Z1 Z Z1 Z2 Z Z2 Z 衔铁在中间位置时单个线圈的复抗 Z1 Z2 分别是衔铁偏离中心位置时两线圈阻抗的变化量 对高Q值的差动式电感传感器有 Z1 Z2 j L1 L2 4 20 图4 5交流电桥测量电路 则电桥输出电压为 2 交流电桥式测量电路 2 1交流电桥式测量电路 当衔铁往上移动 时 差动传感器电感的总变化量 L L1 L2 具体 4 21 对上式进行线性处理 即忽略高次项得 4 22 4 10 4 11 4 12 增 减 Z1 Z Z1 Z2 Z Z2 Z1 Z

7、2 j L1 L2 灵敏度K0为 4 23 结论 差动式变间隙电感传感器的灵敏度是单线圈式的两倍 差动式变间隙电感传感器的非线性项 忽略高次项 单线圈电感传感器的非线性项 忽略高次项 由于 0 1 因此 差动式的线性度得到明显改善 4 15 将代入式 4 20 得 电桥输出电压与 成正比关系 如图4 6所示 电桥两臂Z1 Z2为传感器线圈阻抗 另外两桥臂为交流变压器次级线圈的1 2阻抗 当负载阻抗为无穷大时 桥路输出电压 4 24 当传感器的衔铁处于中间位置 即Z1 Z2 Z 此时有 电桥平衡 图4 6变压器式交流电桥 3 2变压器式交流电桥 图4 6变压器式交流电桥 衔铁上移时 如Z1 Z

8、Z Z2 Z Z时 4 25 器衔铁下移时 如Z1 Z Z Z2 Z Z 此时 4 26 衔铁上下移动相同距离时 输出电压 两个 相位相反 大小随衔铁的位移而变化 由于是交流电压 输出指示无法判断位移方向 必须配合相敏检波电路来解决 上移 下移 分为 谐振式调幅电路谐振式调频电路 图4 7谐振式调幅电路 图4 8谐振式调频电路 3 谐振式测量电路 T可视为理想变压器 不涉及其自身电感问题 谐振时 图4 7谐振式调幅电路 调幅电路 传感器电感L 电容C 原边串联一起 接交流 副边输出电压 频率与电源频率相同 幅值随电感L变化图4 7 b L的关系曲线 L0 谐振点的电感值 调幅电路特点 电路灵敏

9、度很高 但线性差 适用于线性度要求不高的场合 调频电路的基本原理 传感器电感L的变化 输出电压频率变化 通常L C接入一个振荡回路中 其振荡频率 当L变化时 振荡频率随之变化 根据f大小即可测出被测量的值图4 8 b 表示f与L的关系曲线 它具有严重的非线性关系 图4 8谐振式调频电路 4 1 5自感式电感传感器的应用 图4 9变隙电感式压力传感器结构图 图4 12自感式变隙式电感式压力传感器 它主要由膜盒 衔铁 铁芯和线圈等组成衔铁与膜盒的上端连在一起 工作原理 当压力进入膜盒时 膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移 于是衔铁也发生移动 从而使气隙发生变化 流过线圈的电流也

10、发生相应的变化 电流表A的指示值就反映了被测压力的大小 图4 10变隙式差动电感压力传感器 变隙式差动电感压力传感器 主要由C形弹簧管 衔铁 铁芯和线圈等组成 工作原理 被测压力进入C形弹簧管 管产生变形 其自由端发生位移 带动衔铁运动 线圈1和线圈2中的电感发生大小相等 符号相反的变化 一个电感量增大 另一个电感量减小 通过电桥电路转换成电压输出 输出电压与被测压力之间成比例关系 可用检测仪表测量出输出电压 可知被测压力的大小 图4 10变隙式差动电感压力传感器 4 2差动变压器式传感器 属于互感式传感器 把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器 差动变压器式传感器 根据变压器的基本原理

11、制成的 并且次级绕组用差动形式连接 故称 差动变压器结构形式 变隙式 变面积式和螺线管式等 在非电量测量中 应用最多的是螺线管式差动变压器 它可以测量1 100mm 机械位移 并具有测量精度高 灵敏度高 结构简单 性能可靠等优点 图4 11差动变压器式传感器的结构示意图 a b 变隙式差动变压器 c d 螺线管式差动变压器 e f 变面积式差动变压器 应用最多的是螺线管式差动变压器 图4 11差动变压器式传感器的结构示意图 a b 变隙式差动变压器 c d 螺线管式差动变压器 e f 变面积式差动变压器 4 2 1螺线管式差动变压器工作原理 结构 初级线圈 两个次级线圈 插入中央线圈的圆拄形铁

12、心等 图4 14螺线管式差动变压器结构 两段式 三段式 图4 15差动变压器等效电路 图4 165差动变压器等效电路 图4 16差动变压器输出电压的特性曲线 图4 14差动变压器输出电压U2与活动衔铁位移 x的关系曲线 实线为理论特性曲线 虚线曲线为实际特性曲线当衔铁位于中心位置时 输出电压 0 称为零点残余电压 记作 Uo 输出特性不经过零点 实际特性与理论特性不完全致 零点残余电压主要是由传感器的两次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称 以及磁性材料的非线性等引起的 Uo实际使用时 应设法减小Ux 几十毫伏 4 2 2基本特性 差动变压器等效电路如图4 15所示 次级开路时 4 30 4 31

13、 4 32 4 33 次级开路 教材有误 输出电压的有效值为 4 34 上式说明 当激磁电压的幅值U和角频率 初级绕组的直流电阻r1及电感L1为定值时 差动变压器输出电压仅仅是初级绕组与两个次级绕组之间互感之差的函数 因此 只要求出互感Ma和Mb对活动衔铁位移x的关系式 再代入式 4 33 即可得到螺线管式差动变压器的基本特性表达式 活动衔铁处于中间位置时 M1 M2 M U2 0 活动衔铁向上移动时 M1 M M M2 M M 活动衔铁向下移动时 M1 M M M2 M M 与U22同极性 4 2 3 差动变压器式传感器测量电路 差动变压器的输出是交流电压 若用交流电压表测量 只能反映衔铁位

14、移的大小 不能反映移动的方向 另外 其测量值中将包含零点残余电压 为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的 实际测量时 常常采用差动整流电路和相敏检波电路 1 差动整流电路原理 把差动变压器的两个次级输出电压分别整流 然后将整流的电压或电流的差值作为输出 图4 18差动整流电路 a 半波电压输出 b 半波电流输出 c 全波电压输出 d 全波电流输出 适用于交流阻抗负载 适用于低阻抗负载 图4 17差动整流电路图 a c 适用于交流阻抗负载 图 b d 适用于低阻抗负载 电阻R0用于调整零点残余电压 以图4 18 c 电路结构为例分析 不论两个次级线圈的输出瞬时电压极性如何 流经C1的电流

15、方向总是从2到4 流经C2的电流方向总是从6到8 故整流电路的输出电压为 4 35 2 相敏检波电路相敏检波电路如图4 19所示 VD1 VD2 VD3 VD4 性能相同的二极管 以同一方向串联接成一个闭合回路 形成环形电桥 输入信号u2 差动变压器式传感器输出的调幅波电压 通过变压器T1加到环形电桥的一个对角线上 参考信号us通过变压器T2加到环形电桥的另一个对角线上 输出信号uo从变压器T1与T2的中心抽头引出 平衡电阻R起限流作用 以避免二极管导通时变压器T2的次级电流过大 RL为负载电阻 us的幅值要远大于输入信号u2的幅值 以便有效控制四个二极管的导通状态 且us和差动变压器式传感器

16、激磁电压u1由同一振荡器供电 保证二者同频同相 或反相 图4 19相敏检波电路 B 根据变压器的工作原理 考虑到O M分别为变压器T1 T2的中心抽头 则 4 36 4 37 n1 n2 分别为变压器T1 T2的变压比 采用电路分析的基本方法 可求得图4 19 b c 所示电路的输出电压uo的表达式 4 38 当位移 x 0 u2 us同频同相 x 0 u2 us同频反相当 x 0 u2 us正半周VD1 VD4截止 VD2VD3导通 图 b 负半周VD2VD3截止 VD1 VD4导通 图 c 说明只要位移 x 0 不论u2与us是正半周还是负半周 负载电阻RL两端得到的电压uo始终为正 当 x 0时 u2与us为同频反相 采用上述相同的分析方法不难得到当 x 0时 不论u2与us是正半周还是负半周 负载电阻RL两端得到的输出电压uo表达式总是为 4 39 图4 20波形图 a 被测位移变化波形图 b 差动变压器激磁电压波形 c 差动变压器输出电压波形 d 相敏检波解调电压波形 e 相敏检波输出电压波形 x 0 u2 us同频同相 x 0 u2 us同频反相 4 差动变压器式传感器的应